綜掘工作面通風條件對徑向旋流風幕阻塵效果的影響

王 昊，撒占友，王春源，吳靜波

（1.青島理工大學 安全科學與工程系，山東 青島 266520；2.青島理工大學 山東省重點行業領域事故防范技術研究中心，山東 青島 266520）

為滿足我國鋼鐵、電力、化工等重點行業日益增加的煤炭需求，煤礦開采強度大幅提高，綜合機械化掘進技術隨之迅速發展。但掘進機截割煤巖體導致的工作面高濃度粉塵污染，對作業人員的職業健康與礦井安全生產造成了嚴重威脅[1]。作業人員長期吸入空間中彌漫的生產性粉塵將會罹患塵肺病，國家衛生健康委員會發布的數據顯示，截至2019年底，全國已累計報告職業性塵肺病889 313例，新增病例中50%以上為煤工塵肺和矽肺[2]。針對綜掘工作面，較為理想的控除塵效果是將高濃度粉塵阻控在截割區域并利用抽塵裝置進行高效抽除，避免人員作業區域遭受粉塵污染[3-4]。為此，國內外學者提出可通過在抽風口與掘進司機之間形成風幕屏障阻控粉塵擴散，提高抽塵凈化效率[5-14]。Guyonnaud L等明確了風幕形態的主要影響因素為風幕裝置內外壓差，射流條隙寬度，射流角度及速度[5]；葛少成等基于短路流場理論及流場疊加原理，通過徑向附壁旋流與負壓匯流疊加形成風幕[6]；李雨成等對比分析了不同條縫寬度與出口射流風速條件下風幕的形成及其阻塵效果[7]；Cheng和聶文等揭示了徑向旋流風幕在抽風負壓作用下能夠形成軸向阻塵風幕以控制工作面粉塵的擴散[8-9]；張義坤等[10]進一步對比分析了不同風幕形式等條件下的風幕阻塵規律，闡釋了旋流風幕對綜掘工作面通風除塵的促進作用。國內外學者已對風幕形成條件及其阻塵機理開展了研究，但徑向旋流風幕阻塵效果主要受風幕運移過程中流場狀態的影響，現有成果未能系統分析通風條件對流場運移狀態及其阻塵效果的影響規律。因此，以回坡底煤礦東五采區進風巷綜掘工作面為研究對象，運用數值模擬與工程實測相結合的方法，進行通風條件影響徑向旋流風幕阻塵效果分析。

1 模型構建

運用Solidworks軟件構建了回坡底煤礦東五采區進風巷等比例物理模型，東五采區進風巷綜掘工作面物理模型如圖1。

圖1 東五采區進風巷綜掘工作面物理模型Fig.1 Physical model of the air inlet tunnel of east-fifth mining area

巷道為長80 m，寬5.1 m，高4.15 m的半圓拱結構，壓、抽風筒及風幕裝置直徑均為0.8 m，風筒軸線距底板2.8 m，壓風口距工作面10 m，抽風口距工作面2 m。風幕裝置經交替布置的2種出風條隙形成徑向射流：①三等分半圓弧，取邊側兩道開孔，形成2條寬0.05 m的條隙；②五等分半圓弧，取邊側兩道與中間1道開孔，形成3條寬0.05 m的條隙。將物理模型導入ICEM軟件進行網格劃分，共計生成1 128 770個網格，平均網格質量為0.886 57，網格數量及質量均能夠滿足數值模擬需求。

考慮到綜掘工作面旋流風幕運移屬于貼壁射流與強旋流形成的復合流場，選用Realizableκ-ε模型開展數值模擬[15-17]。

湍流動能方程（κ方程）：

式中：ρ為密度，kg/m3；κ為湍流動能，J；t為時間，s；ui為xi方向的時均速度，m/s；xi、xj為坐標位置，m；下標i、j取值為1、2、3，分別為x，y，z 3個方向；μ為流體黏度，Pa·s；μt為流體湍動黏度，Pa·s；σκ為κ方程的紊流普朗特數，取1.0；Gκ為由平均運動速度梯度引起的紊流動能生成項；ε為湍流動能耗散率。

湍流能量耗散率方程（ε方程）：

式中：σε為ε方程的紊流普朗特數，取1.2；C1為常數，取1.4；uj為xj方向的時均速度，m/s；C2為常數，取1.9；v為平均速度，m/s。

2 數值模擬

2.1 邊界條件及參數設置

東五采區進風巷綜掘工作面基本邊界條件設置為：入口邊界為Velocity_Inlet，綜掘工作面為Dust Source，出口邊界為Outflow，其他實體邊界均為Standard Wall，湍流動能為0.8 m2/s2，湍流擴散比率為0.8 m2/s3。

實際生產中通常根據巷道斷面面積選定適配的壓風量，東五采區進風巷綜掘工作面現場實測壓風總量為300 m3/min，壓風口距工作面10 m。在各通風條件中，風幕位置、風幕裝置徑向風量、通風系統壓抽比是影響徑向旋流風幕運移與軸向阻塵流場形成的主要因素。因此，數值模擬通風變量條件設置為：風幕與工作面距離La為10、15、20、25、30 m；綜掘工作面需有一定量的軸向風流吹散和稀釋有毒有害氣體，選定風幕裝置徑向風量Qr為150、180、210、240、270 m3/min；通風系統壓抽比R為0.5、0.8、1.0、1.2、1.5。數值模擬時，以Qr=270 m3/min，R=0.8為基礎條件，進行不同La條件下的風幕阻塵效果分析，確定能夠形成有效軸向阻塵流場的臨界La。在此基礎上，進行不同Qr條件下的風幕阻塵效果分析，確定臨界Qr；最后，以臨界La和臨界Qr為基礎條件，確定臨界R，獲得較優通風條件。

2.2 風流運移數值模擬

當徑向風量Qr為270 m3/min，通風系統壓抽比R為0.8時，不同La條件下東五采區進風巷綜掘工作面風流流線分布如圖2。不同La條件下掘進司機斷面（距工作面7 m）風速矢量分布如圖3。

圖2 不同L a條件下東五采區進風巷風流流線分布Fig.2 Airflow streamlines distribution of the east-fifth mining area air inlet tunnel under various L a conditions

圖3 不同L a條件下掘進司機斷面風速矢量分布Fig.3 Airflow speed vector distribution in section where driver located under various L a conditions

由圖2、圖3可知，徑向旋流風幕在抽風負壓作用下向工作面運移，形成軸向長為l的徑向旋流區，當La＞l時，隨著La的增加，原有的旋流流場逐漸轉變為軸向流場。在La由10 m增至30 m的過程中，當La=20 m時，距工作面4.8~5.7 m范圍內形成了風量與風速分布較為均勻的軸向阻塵流場，掘進司機所處斷面風速范圍為0.44~0.71 m/s；當La=30 m時，軸向阻塵流場范圍擴大至距工作面4.3~7.4 m，掘進司機所處斷面風速范圍已基本穩定至0.41~0.64 m/s。

La為20 m時，不同Qr與R條件下東五采區進風巷綜掘工作面風流流線分布如圖4。不同Qr與R條件下掘進司機所處斷面（距工作面7 m）風速矢量分布如圖5。

圖4 不同Q r與R條件下東五采區進風巷風流流線分布Fig.4 Airflow streamlines distribution of the east-fifth mining area air inlet tunnel under various Q r and R conditions

圖5 不同Q r與R條件下掘進司機斷面風速矢量分布Fig.5 Airflow speed vector distribution in section where driver located under various Q r and R conditions

對比圖2（c）和圖3（c）及圖4、圖5可知，Qr越大，R越小，越利于在掘進作業區域形成風量與風速分布均勻的有效軸向阻塵流場。其中，Qr主要影響掘進作業區域軸向射流強度，R主要影響掘進作業區域抽風負壓強度，Qr的影響程度強于R。

當Qr＜240 m3/min時，軸向射流速度超過2 m/s，顯著高于周邊風速，周圍風流會在高速射流卷吸作用下匯入射流場，使得射流截面及流量不斷增大，導致掘進作業區域壓風側風量與風速明顯高于抽風側，風流分布紊亂。當Qr=270 m3/min時，軸向射流速度已降至0.99 m/s，距工作面4.8~5.7 m范圍內形成了軸向阻塵流場，掘進司機所處斷面風速范圍為0.44~0.71 m/s。在該條件下，當R≥1.2時，抽風負壓較弱，無法克服軸向射流卷吸作用，同時，未被有效抽出的含塵污風將匯入射流場向工作面運移，造成循環污染；當R=1.5時，距工作面7.8 m處污風匯入射流形成了循環風流場，掘進司機所處斷面風速范圍約為0.21~1.36 m/s；當R≤0.8時，抽風負壓增強，含塵污風得到有效抽出，掘進作業區域風流場在抽風負壓作用下軸向均勻分布于斷面空間，R=0.8時，在距迎頭4.8~5.7 m的斷面空間內形成了有效軸向阻塵風幕。

由此可得，東五采區進風巷綜掘工作面形成較優軸向阻塵流場的通風條件為La≥20 m，Qr≥270 m3/min，R≤0.8。

2.3 粉塵擴散數值模擬

基于風流運移模擬結果，對各通風條件下的粉塵擴散開展數值模擬。根據粉塵粒徑分析結果設置塵源顆粒參數：最小粒徑5.3×10-7m，中位徑4.31×10-6m，最大粒徑2.17×10-5m，粒徑遵循Rosin-Rammler分布，顆粒散布方式為面噴射，顆粒分布指數1.77，顆粒質量流率為3.5×10-3kg/s。不同La條件下東五采區進風巷粉塵擴散如圖6，不同Qr及R條件下東五采區進風巷粉塵擴散如圖7。利用Origin軟件擬合了粉塵擴散距離Ld與La、Qr、R間的數學關系，粉塵擴散距離與各通風條件間數學關系如圖8。

圖6 不同L a條件下東五采區進風巷粉塵擴散Fig.6 Dust diffusion of the east-fifth mining area air inlet tunnel under various L a conditions

圖7 不同Q r及R條件下東五采區進風巷粉塵擴散Fig.7 Dust diffusion of the east-fifth mining area air inlet tunnel under various Q r and R conditions

由圖6~圖8可知，高濃度粉塵擴散距離Ld隨La的增加先增大后降低，隨Qr的增加及R的減小而逐漸降低。

圖8 粉塵擴散距離與各通風條件間數學關系Fig.8 Mathematical relation between dust diffusion distance and each condition

運用Origin軟件擬合了Ld與各通風條件間的數學關系：

在Ld隨各通風條件的變化中，Ld由La為10 m時的10.2 m增至La為15 m時的13.9 m，再急劇減小至La為20 m時的7.8 m并逐步趨于穩定；掘進司機處粉塵濃度也由La為10 m時的83.4 mg/m3增至La為15 m時的86.9 mg/m3，隨后急劇減小至La為20 m時的23.6 mg/m3，此時，掘進司機處粉塵濃度已十分接近La為30 m時的最小值21.9 mg/m3，考慮到附壁風筒距工作面距離過遠，在實際應用過程中可能會導致工作面風流速度較低，因此，選定最優La為20 m。在該條件下，高濃度粉塵擴散距離由R為1.5時的18.4 m急劇降至R為0.8時的9.2 m，隨后逐漸降至R為0.5時的7.1 m；掘進司機處粉塵濃度由R為1.5時的95.3 mg/m3急劇降至R為0.8時的26.5 mg/m3，隨后進一步降至R為0.5時的19.2 mg/m3，可見，在R為0.5時形成的軸向阻塵風流場能夠達到最優阻塵效果。但考慮到工作面壓風總量為300 m3/min，R為0.5時抽風量達到600 m3/min，工程應用中難度較大；R為0.8時掘進司機處粉塵濃度接近最小值，此時抽風量為375 m3/min，因此，選定最優R為0.8。

由此可得，東五采區進風巷綜掘工作面徑向旋流風幕阻塵效果較優的通風條件為La為20 m，Qr為270 m3/min，R為0.8。

3 工程應用

基于數值模擬結果，對東五采區進風巷綜掘工作面通風條件進行優化，并實測分析了較優通風條件下的徑向旋流風幕阻塵效果。東五采區進風巷綜掘工作面的壓風總量為300 m3/min，采用抽風量為400 m3/min的KCS-400型濕式除塵風機，這樣通風系統的壓抽比R接近風幕阻塵效果較優的0.8，La設置為20 m，Qr設置為270 m3/min。

3.1 測點布置

風流與粉塵測點布置如圖9。根據生產現場設備布置情況，風流主要測定掘進作業區域，尤其是掘進司機前部的風速大小及方向。因此，選定距工作面5、7 m 2斷面為風流實測斷面，測點A、C設置于兩側人行道中部人員呼吸高度位置，測點B設置于巷道中央掘進司機呼吸高度位置。依據接塵工序作業地點分布，選定距工作面3、7、10、20 m 4個斷面為粉塵實測斷面，測點A設置為采樣點。

圖9 風流與粉塵測點布置Fig.9 Airflow and dust measuring points

3.2 應用效果

東五采區進風巷綜掘工作面的各斷面風速實測值與數值模擬值見表1，各斷面粉塵濃度實測值與數值模擬值見表2。

表1 各斷面風速實測值與數值模擬值Table 1 Measurement and simulation values of airflow velocity of each section

表2 各斷面粉塵濃度實測值與數值模擬值Table 2 Measurement and simulation values of dust concentration of each section

由表1、表2可知，東五采區進風巷綜掘工作面各測點風速方向與數值模擬結果基本一致，風速和粉塵濃度與數值模擬結果的相對誤差范圍分別為6.87%~11.36%和8.26%~16.51%，相對誤差較低，說明數值模擬結果較為準確。

根據實測結果，在較優通風條件下，距工作面5~7 m斷面內A、B、C 3個測點處風流均為指向工作面的軸向運移，風速分別穩定在0.41~0.48 m/s以及0.46~0.57 m/s，說明該條件下掘進司機及其前部斷面內均形成了有效的軸向阻塵流場。在軸向阻塵流場作用下，粉塵濃度由距工作面3 m時的374.6 mg/m3急劇降至距工作面7 m時的35.5 mg/m3，阻塵效率約為90.5%，隨后，粉塵濃度緩慢降至25 mg/m3以下。說明綜掘作業區域形成的軸向阻塵流場能夠有效阻控高濃度粉塵的擴散，提高除塵風機的抽塵凈化效率，改善綜掘工作面作業環境。

4 結 論

1）La與Qr越大，R越小，越利于徑向旋流風幕轉變為軸向流場。當La≥20 m，Qr≥270 m3/min，R≤0.8時，能夠在綜掘作業區域形成風量與風速分布均勻的有效軸向阻塵流場。

2）La＜20 m時，Ld隨La的增加而增大，La≥20 m時，Ld隨La的增加而減小；Qr越大，R越小，Ld越小。根據綜掘工作面實際生產條件，徑向旋流風幕阻塵效果較優的通風條件選定為La為20 m，Qr為270 m3/min以及R為0.8。

3）將較優通風條件進行了工程應用，結果顯示，數值模擬較為準確。在較優通風條件下，掘進司機斷面粉塵濃度降至35.5 mg/m3，相較于掘進機截割區域，阻塵效率約為90.5%，阻塵效果較佳。

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